机械制造技术：切削力

机械制造技术：切削力一、切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率(一）切削力的来源研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：1．克服被加工材料对弹性变形的抗力；2．克服被加工材料对塑性变形的抗力；3．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。（二）切削合力及其分解上述各力的总和形成作用在刀具上的合力Fr（国标为F）。为了实际应用，Fr可分解为相互垂直的Fx（国标为Ff）、Fy（国标为Fp）和Fz（国标为Fc）三个分力。在车削时：Fz——主切削力或切向力。它切于过渡表面并与基面垂直。Fz是计算车刀强度，设计机床零件，确定机床功率所必需的。Fx——进给抗力、轴向力或走刀力。它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力。Fx是设计进给（走刀）机构，计算车刀进给功率所必需的。Fy——切深抗力、或背向力、径向力、吃刀力。它是处于基面内并与工件轴线垂直的力。Fy用来确定与工件加工精度有关的工件挠度（详见第七章），计算机床零件和车刀强度。它与工件在切削过程中产生的振动有关。（三）切削功率1、单位切削力单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。2、切削功率Pm消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是Pm=(Fz*Vc+Fx*nw*f/1000)×10-3???其中：Pm—切削功率（KW）；Fz—切削力（N）；Vc—切削速度（m/s）；Fx—进给力（N）；nw—工件转速（r/s）；f—进给量（mm/s）。式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它相对于F所消耗的功率来说，一般很小（<1%～2%），可以略去不计，于是?Pm=FzV×10-3按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。PE≥Pm/ηm式中：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。3、单位切削功率单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。二、切削力的测定在生产实际中，切削力的大小一般采用由实验结果建立起来的经验公式计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。随着测试手段的现代化，切削力的测量方法有了很大的发展，在很多场合下已经能很精确地测量切削力。切削力的测量成了研究切削力的行之有效的手段。目前采用的切削力测量手段主要有：1．测定机床功率，计算切削力用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE后，可按下式计算出切削功率Pm???Pm=Peηm在切削速度Vc为已知的情况下，利用Pm即可求出切削力F。这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量。2．用测力仪测量切削力测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪。三、切削力的经验公式和切削力估算目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：注意：切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，如果切削条件与实验条件不符，需乘一个修正系数KF，它是包括了许多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。四、切削力的变化规律实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。1、工件材料（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。（2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。2、切削用量（1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大(通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。（2）切削速度vc1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。（以车削45钢为例2）切削脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。3、刀具几何角度（1）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。（2）主偏角：主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在600-900范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。一般地，Kr=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。(见P33图2.22）Kr增大，使Fy减小、Fx增大。实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角κr>600的车刀切削。(3)刃倾角λs：λs对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。???λs由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。特别是在工艺系统